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前言
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你好，我是彤哥。
上一節，我們一起學習了，在Java中如何構建高性能隊列，裏面牽涉到很多底層的知識，不知道你有Get到多少呢？！
本節，我想跟着大家一起重新學習下關於哈希的一切——哈希、哈希函數、哈希表。
這三者有什麼樣的愛恨情仇？
爲什麼Object類中需要有一個hashCode()方法？它跟equals()方法有什麼關係？
如何編寫一個高性能的哈希表？
Java中的HashMap中的紅黑樹可以使用其它數據結構替換嗎？
何爲哈希？
Hash，是指把任意長度的輸入通過一定的算法變成固定長度的輸出的過程，這個輸出稱作Hash值，或者Hash碼，這個算法叫做Hash算法，或者Hash函數，這個過程我們一般就稱作Hash，或者計算Hash，Hash翻譯爲中文有哈希、散列、雜湊等。
既然是固定長度的輸出，那就意味着輸入是無限多的，輸出是有限的，必然會出現不同的輸入可能會得到相同的輸出的情況，所以，Hash算法一般來說也是不可逆的。
那麼，Hash算法有哪些用途呢？
哈希算法的用途
哈希算法，是一種廣義的算法，或者說是一種思想，它沒有一個固定的公式，只要滿足上面定義的算法，都可以稱作Hash算法。
通常來說，它具有以下用途：
加密密碼，比如，使用MD5+鹽的方式來加密密碼；
快速查詢，比如，哈希表的使用，通過哈希表能夠快速查詢元素；
數字簽名，比如，系統間調用加上簽名，可以防止篡改數據；
文件檢驗，比如，下載騰訊遊戲的時候通常都有有一個MD5值，安裝包下載下來之後計算出來一個MD5值與官方的MD5值進行對比，就可知道下載過程中有沒有文件損壞，有沒有被篡改等；
好了，說起Hash算法，或者Hash函數，在Java中，所有對象的父類Object都有一個Hash函數，即hashCode()方法，爲什麼Object類中需要定義這麼一個方法呢？
嚴格來說，Hash算法和Hash函數還是有點區別的，相信你能根據語境進行區分。
讓我們來看看JDK源碼的註釋怎麼說：
請看紅框的部分，翻譯一下大致爲：爲這個對象返回一個Hash值，它是爲了更好地支持哈希表而存在的，比如HashMap。簡單點說，這個方法就是給HashMap等哈希表使用的。
// 默認返回的是對象的內部地址
public native int hashCode();
此時，我們不得不提起Object類中的另一個方法——equals()。
// 默認是直接比較兩個對象的地址是否相等
public boolean equals(Object obj) {
return (this == obj);
}
hashCode()和equals又有怎樣的糾纏呢？
通常來說，hashCode()可以看作是一種弱比較，迴歸Hash的本質，將不同的輸入映射到固定長度的輸出，那麼，就會出現以下幾種情況：
輸入相同，輸出必然相同；
輸入不同，輸出可能相同，也可能不同；
輸出相同，輸入可能相同，也可能不同；
輸出不同，輸入必然不同；
而equals()是嚴格比較兩個對象是否相等的方法，所以，如果兩個對象equals()爲true，那麼，它們的hashCode()一定要相等，如果不相等會怎樣呢？
如果equals()返回true，而hashCode()不相等，那麼，試想將這兩個對象作爲HashMap的key，它們很大可能會定位到HashMap不同的槽中，此時就會出現一個HashMap中插入了兩個相等的對象，這是不允許的，這也是爲什麼重寫了equals()方法一定要重寫hashCode()方法的原因。
比如，String這個類，我們都知道它的equals()方法是比較兩個字符串的內容是否相等，而不是兩個字符串的地址，下面是它的equals()方法：
public boolean equals(Object anObject) {
if (this == anObject) {
return true;
}
if (anObject instanceof String) {
String anotherString = (String)anObject;
int n = value.length;
if (n == anotherString.value.length) {
char v1[] = value;
char v2[] = anotherString.value;
int i = 0;
while (n-- != 0) {
if (v1[i] != v2[i])
return false;
i++;
}
return true;
}
}
return false;
}
所以，對於下面這兩個字符串對象，使用equals()比較它們是相等的，而它們的內存地址並不相同：
String a = new String("123");
String b = new String("123");
System.out.println(a.equals(b)); // true
System.out.println(a == b); // false
此時，如果不重寫hashCode()方法，那麼，a和b將返回不同的hash碼，對於我們常常使用String作爲HashMap的key將造成巨大的干擾，所以，String重寫的hashCode()方法：
public int hashCode() {
int h = hash;
if (h == 0 && value.length > 0) {
char val[] = value;
for (int i = 0; i < value.length; i++) {
h = 31 * h + val[i];
}
hash = h;
}
return h;
}
這個算法也很簡單，用公式來表示爲：s[0]*31^(n-1) + s[1]*31^(n-2) + ... + s[n-1]。
好了，既然這裏屢次提到哈希表，那我們就來看看哈希表是如何一步步進化的。
哈希表進化史
數組
講哈希表之前，我們先來看看數據結構的鼻祖——數組。
數組比較簡單，我就不多說了，大家都會都懂，見下圖。
數組的下標一般從0開始，依次往後存儲元素，查找指定元素也是一樣，只能從頭（或從尾）依次查找元素。
比如，要查找4這個元素，從頭開始查找的話需要查找3次。
早期的哈希表
上面講了數組的缺點，查找某個元素只能從頭或者從尾依次查找元素，直到匹配爲止，它的均衡時間複雜是O(n)。
那麼，利用數組有沒有什麼方法可以快速的查找元素呢？
聰明的程序員哥哥們想到一種方法，通過哈希函數計算元素的值，用這個值確定元素在數組中的位置，這樣時間複雜度就能縮短到O(1)了。
比如，有5個元素分別爲3、5、4、1，把它們放入到數組之前先通過哈希函數計算位置，精確放置，而不是像簡單數組那樣依次放置元素（基於索引而不是元素值來查找位置）。
假如，這裏申請的數組長度爲8，我們可以造這麼一個哈希函數爲hash(x) = x % 8，那麼最後的元素就變成了下圖這樣：
這時候我們再查找4這個元素，先算一下它的hash值爲hash(4) = 4 % 8 = 4，所以直接返回4號位置的元素就可以了。
進化的哈希表
事情看着挺完美，但是，來了一個元素13，要插入的哈希表中，算了一下它的hash值爲hash(13) = 13 % 8 = 5，納尼，它計算的位置也是5，可是5號已經被人先一步佔領了，怎麼辦呢？
這就是哈希衝突。
爲什麼會出現哈希衝突呢？
因爲我們申請的數組是有限長度的，把無限的數字映射到有限的數組上早晚會出現衝突，即多個元素映射到同一個位置上。
好吧，既然出現了哈希衝突，那麼我們就要解決它，必須幹！
How to？
線性探測法
既然5號位置已經有主了，那我元素13認慫，我往後挪一位，我到6號位置去，這就是線性探測法，當出現衝突的時候依次往後挪直到找到空位置爲止。
然鵝，又來了個新元素12，算得其hash值爲hash(12) = 12 % 8 = 4，What？按照這種方式，要往後移3次到7號位置纔有空位置，這就導致了插入元素的效率很低，查找也是一樣的道理，先定位的4號位置，發現不是我要找的人，再接着往後移，直到找到7號位置爲止。
二次探測法
使用線性探測法有個很大的弊端，衝突的元素往往會堆積在一起，比如，12號放到7號位置，再來個14號一樣衝突，接着往後再數組結尾了，再從頭開始放到0號位置，你會發現衝突的元素有聚集現象，這就很不利於查找了，同樣不利於插入新的元素。
這時候又有聰明的程序員哥哥提出了新的想法——二次探測法，當出現衝突時，我不是往後一位一位這樣來找空位置，而是使用原來的hash值加上i的二次方來尋找，i依次從1，2，3...這樣，直到找到空位置爲止。
還是以上面的爲例，插入12號元素，過程是這樣的，本文來源於公主號彤哥讀源碼：
這樣就能很快地找到空位置放置新元素，而且不會出現衝突元素堆積的現象。
然鵝，又來了新元素20，你瞅瞅放哪？
發現放哪都放不進去了。
研究表明，使用二次探測法的哈希表，當放置的元素超過一半時，就會出現新元素找不到位置的情況。
所以又引出一個新的概念——擴容。
什麼是擴容？
已放置元素達到總容量的x%時，就需要擴容了，這個x%時又叫作擴容因子。
很顯然，擴容因子越大越好，表明哈希表的空間利用率越高。
所以，很遺憾，二次探測法無法滿足我們的目標，擴容因子太小了，只有0.5，一半的空間都是浪費的。
這時候又到了程序員哥哥們發揮他們聰明特性的時候了，經過996頭腦風暴後，又想出了一種新的哈希表實現方式——鏈表法。
鏈表法
不就是解決衝突嘛！出現衝突我就不往數組中去放了，我用一個鏈表把同一個數組下標位置的元素連接起來，這樣不就可以充分利用空間了嘛，啊哈哈哈哈~~
嘿嘿嘿嘿，完美△△。
真的完美嘛，我是一名黑客，我一直往裏面放*%8=4的元素，然後你就會發現幾乎所有的元素都跑到同一個鏈表中去了，呵呵，最後的結果就是你的哈希表退化成了鏈表，查詢插入元素的效率都變成了O(n)。
此時，當然有辦法，擴容因子幹啥滴？
比如擴容因子設置爲1，當元素個數達到8個時，擴容成兩倍，一半的元素還在4號位置，一半的元素去到了12號位置，能緩解哈希表的壓力。
然鵝，依舊不是很完美，也只是從一個鏈表變成兩個鏈表，本文來源於公主號彤哥讀源碼。
聰明的程序員哥哥們這次開啓了一次長大9127的頭腦風暴，終於搞出了一種新的結構——鏈表樹法。
鏈表樹法
雖然上面的擴容在元素個數比較少的時候能解決一部分問題，整體的查找插入效率也不會太低，因爲元素個數少嘛。
但是，黑客還在攻擊，元素個數還在持續增加，當增加到一定程度的時候，總會導致查找插入效率特別低。
所以，換個思路，既然鏈表的效率低，我把它升級一下，當鏈表長的時候升級成紅黑樹怎麼樣？
嗯，我看行，說幹就幹。
嗯，不錯不錯，媽媽再也不怕我遭到黑客攻擊了，紅黑樹的查詢效率爲O(log n)，比鏈表的O(n)要高不少。
所以，到這就結束了嗎？
你想多了，每次擴容還是要移動一半的元素好麼，一顆樹分化成兩顆樹，這樣真的好麼好麼好麼？
程序員哥哥們太難了，這次經過了12127的頭腦風暴，終於想出個新玩意——一致性Hash。
一致性Hash
一致性Hash更多地是運用在分佈式系統中，比如說Redis集羣部署了四個節點，我們把所有的hash值定義爲0~2^32個，每個節點上放置四分之一的元素。
此處只爲舉例，實際Redis集羣的原理是這樣的，具體數值不是這樣的。
此時，假設需要給Redis增加一個節點，比如node5，放在node3和node4中間，這樣只需要把node3到node4中間的元素從node4移動到node5上面就行了，其它的元素保持不變。
這樣，就增加了擴容的速度，而且影響的元素比較少，大部分請求幾乎無感知。
好了，到這裏關於哈希表的進化歷史就講到這裏了，你有沒有Get到呢？
後記
本節，我們一起重新學習了關於哈希、哈希函數、哈希表相關的知識，在Java中，HashMap的終極形態是以數組+鏈表+紅黑樹的形式呈現的。
據說，這個紅黑樹還可以換成其它的數據結構，比如跳錶，你造嗎？
下一節，我們就來聊聊跳錶這個數據結構，並使用它來改寫HashMap，欲獲取最新推文，快點來關注我吧！
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